结构优化建模方法研究进展

列举了结构优化中常用的建模方法,并根据对设计变量和状态变量的处理方式不同,将其分为传统优化模型、同步优化模型和两相法优化模型。然后分析了各模型的原理并对其优缺点进行了对比,同时列举了各模型的应用范围及适用的优化算法。详细介绍了近年来出现的半定规划法在结构优化领域中的应用,描述了航天器结构刚度优化中具有特殊困难的重频优化问题的半定规划法建模过程。最后指出了今后结构优化建模方法的发展方向。     

基于增强协同优化的助推-滑翔导弹概念研究

针对一种两级运载器、滑翔级翼身组合体外形的导弹方案,采用多学科设 计优化方法研究了包括两级发动机装药量、工作时间、滑翔级翼面形状和助推-滑翔弹道在 内的优化设计问题。将系统分为总体、气动、发动机、弹道四个学科。采用增强协同优化方 法进行分解协调优化。目标函数为最大射程和最小总加热量的加权和,约束条件为驻点热流 、导弹质量、滑翔段终点速度、高度等。采用试验设计方法进行不同外形的气动力计算,并 构造响应曲面。结果表明该MDO方法可适用于助推-滑翔导弹的概念研究。
     

系统可靠性优化方法

介绍了性优化的各种模型：组合优化模型、两类失效模式优化模型、可靠必优化分配模型、多目标优化模型以及可靠性模糊优化模型等。分析了可靠性优化分配模型各种解法的优缺点。研究认为，蒙特卡罗法具有简单和广泛适用性特点，因而推荐使用该法。     

基于等几何分析的板壳结构形状拓扑协同优化

板壳结构轻量化设计是工程中的常见问题，采用有限元法对板壳结构进行拓扑优化时，难以获得高质量的网格以精准描述几何模型，且单独使用拓扑优化受制于初始设计空间。提出了一种基于等几何分析的形状拓扑协同优化方法，该方法执行先形状优化、后拓扑优化的步骤，在最佳结构形状的基础上实现最佳材料布局的优化目标。相比于其他组合形式的优化机制，极大地提高了计算精度与计算效率。采用3个数值算例验证了本方法的有效性与高效性，结果表明，与经典等几何拓扑优化方法相比，可得到更高性能的优化结构，有助于进一步拓宽结构优化的应用范围。     

一种针对分离模块航天器系统的分层优化方法

针对分离模块航天器系统优化中存在计算量大、算法复杂度高的问题,提出了一种基于分层的分离模块航天器系统优化方法。该方法将系统优化问题分解为三个层次进行,顶层规划模块数和轨道高度,中间层优化组件配置,底层优化运载发射方案。其中顶层嵌套调用中间层,中间层嵌套调用底层,底层直接计算求解最优运载发射方案,避免了直接基于分离模块航天器全寿命周期仿真来优化运载发射方案。应用该方法对虚拟对地遥感分离模块航天器进行优化,结果表明,优化过程简单,计算量小,算法复杂度低,优化效果显著。     

再生冷却推力室的多学科设计优化

以某型火箭发动机的再生冷却推力室为研究对象,建立了关于推力室的几何型面、质量、流动、传热和结构应力的仿真模型,在iSIGHT软件平台上利用基于响应面模型的协同优化算法对其进行了分布并行的多学科设计优化(MDO),优化目标为权衡推力室质量、出口比冲和冷却通道压降的综合改善。改进的计算结果表明了MDO在推力室设计中的可行性和实用性。     

火星探测直接转移轨道设计研究

研究了直接转移火星探测轨道的设计方法,其中包括初步设计和精确设计。初步设计基于圆锥曲线拼接理论,采用Pork-Chop图进行发射和到达时机的选择;精确设计采用两层优化算法,第一层通过设置"虚拟拦截点"使轨道瞄准点靠近火星,第二层采用微分修正法调节探测器在火星影响球处的入口点坐标,从而使终端状态满足设计要求。通过算例表明以上方法是十分有效的。     

基于多目标多学科设计优化方法的再入弹道设计研究

为了研究多目标多学科弹道优化设计,提出了一种基于NSGA-Ⅱ算法的并发多目标协作优化MDO方法MOPCO(Multi-Objective Pareto collaboration Optimization,简称MOPCO).利用系统优化器和学科级优化器的并发性来分解多目标MDO优化问题,解决组织复杂性问题;利用自适应响应面技术来解决计算复杂性问题;利用NSGA-Ⅱ算法来搜索Pareto前沿.标准算例测试表明该算法是可行的.最后将其用于静态/动态混合优化的多目标多学科再入弹道设计,获得了合理的Pareto前沿.     

一种新的多学科设计优化方法

针对协同优化方法自身结构存在的缺陷,对其加以改进,提出一种新的单级多学科设计优化方法(ACO)。将协同优化方法中的系统相容性约束作为另一个目标函数与原来系统级目标函数交替进行优化,从而直接避免了原协同优化方法中由于相容性等式约束而带来的系统级优化求解计算困难等问题。测试结果表明新方法是可行的。     

ANSYS程序优化技术在固体火箭发动机设计中的应用

简述了ANSYS程序的设计优化、拓扑优化和变分优化技术的基本原理,通过针对固体火箭发动机的几个典型算例,分别介绍了这3种优化技术的分析过程,并进行了比较。由算例可知,基于有限元分析的ANSYS程序优化技术是进行固体火箭发动机优化设计、提高发动机性能的有效手段。     

基于频率的空间相机主体结构优化设计分析

通过对一连续体进行基于基频最大化的拓扑优化,得出主体结构的最优结构形式;对优化结果进行了有限元仿真计算,与传统设计方法所得的相机结构进行对比,基频稍有提高而质量有较大减小。结果表明:采用拓扑优化设计方法能够缩短设计周期,有效减小结构质量,提高了相机主体结构的动刚度,设计结果完全满足系统需求。     

重力梯度稳定小卫星的最优主动磁控和动量轮控制

为了提高小卫星定点精度,姿态控制系统采用俯仰轴动量轮控制和三轴磁力矩控制。用四元数方法建立起卫星动力学方程和运动学方程。以响应时间和响应时间内欧拉角误差和角速率误差的平方和这两个单目标作为目标函数,以三轴的位置增益、速率增益和卸载增益为设计变量,以三轴欧极子矩不超过要求值,俯仰轴的轮动量矩不超过要求值,以及末尾响应时间内应保证欧拉角和角速率逼近控制值为约束条件,建立起卫星最优控制模型。最后,作为例子应用到小卫星姿态控制中,结果证实最优控制算法是可行有效的。与传统PD控制相比,优化后的姿态控制性能也大大提高。     

协同优化在固体弹道导弹概念设计中的初步应用

讨论了标准协同优化方法的流程和特点,并针对固体弹道导弹系统的特点,设计了集成质量、动力、气动、外形和弹道5个学科的弹道导弹多学科设计优化模型.采用协同优化方法集成各学科的知识,协调处理各学科之间的耦合变量,应用合理的优化策略有效地解决了在弹道导弹多学科优化设计中的耦合关系所带来的计算问题,并对该模型成功进行了多学科优化设计,得到了优化方案.研究不但证明了协同优化方法在固体弹道导弹多学科优化设计中的有效性,还表明协同优化方法可使各子学科专注于本学科的优化设计,并使用本学科已有的分析工具,无需考虑对其他学科的影响,这方面相对于其他高要求的MDO方法具有较明显优势.     

卫星总体与姿态控制一体化优化设计方法

针对传统卫星总体和控制串行设计过程低效、设计性能受限、设计方案冗余等问题，提出了一种卫星总体与姿态控制一体化优化设计方法。在轨道、结构、电源、推进等多学科耦合的传统总体设计模型基础上，将面向应用任务过程的卫星姿态控制仿真嵌入卫星多学科分析过程中，实现卫星总体方案与姿态控制的耦合精确分析和整体任务效能的综合评估，在此基础上进一步实现总体和控制的一体优化。最后，以某对地观测敏捷卫星为对象开展方法应用研究，优化结果表明所提方法获得了比传统设计方法目标函数性能更优、冗余度更低的设计方案，验证了卫星总体与姿态控制一体化优化设计方法的可行性和有效性。     

利用协同优化方法实现复杂系统分解并行设计优化

介绍了应用于航空航天领域内复杂系统设计的协同优化算法，并针对现有协同优化算法中系统级协调算法计算量大且易发散等缺点，分析了协同优化系统级协调算法的几何意义，提出了一个新的概念：子问题间不一致信息，并在此基础上构建了一种新的系统级协调算法：动态松弛算法，相对于现有系统级协调算法，动态松弛算法的计算量更小，鲁棒性更好。用本文提出的动态松弛算法实现了一齿轮减速箱的齿和轴的并行设计，计算结果表明了本算法的有效性。     

由子系统主导的协同优化算法

针对多学科设计优化中的协同优化算法在应用时存在不可避免的困难,在标准协同优 化问题分解模式的基础上提出了一种改进算法SLCO(Subsystem Leading Collaborative
Optimization)。SLCO充分利用了子系统优化结果来产生新的系统级期望值,将优化目标和 耦合处理都交给子系统来完成。从数学上证明了该算法的收敛性,并用测试算例进行验证, 结果表明,该算法稳定,寻优效果好,并且有一定的灵活性。     

环向肋增稳的薄壁圆筒结构定向拓扑优化方法

针对广泛应用于飞行器的薄壁圆筒结构,在优化设计时未考虑薄壁特性导致优化结果加工性和稳定性欠佳的问题,提出一种面向飞行器总体设计阶段的环向肋增稳薄壁圆筒结构定向拓扑优化方法.该方法首先依据薄壁结构壁厚方向将有限单元划分成组,以单元组为基本单位构成优化设计空间,保证优化结果具有定向性,进而保证优化结果符合薄壁结构加工特性;...     

空间相机结构设计中的拓扑优化及尺寸优化

在复杂的整机力学环境下,以空间遥感相机支架最大自由模态为优化目标,将整机关键技术指标(基频、轻量化要求、自重变形要求等)作为约束条件,利用拓扑优化及尺寸优化技术,对某相机支架进行了优化设计。试验结果表明该方法能有效提高相机基频,相机支架实现了轻量化设计,质量减轻10%,验证了拓扑优化及尺寸优化技术在空间相机结构设计中的有效性。     

基于多学科参数化建模和灵敏度分析的飞行器分级优化设计方法

提出一种将飞行器参数化建模、灵敏度分析与气动/隐身综合优化设计相结合的方法.该方法的流程为:(1)建立面向多学科设计的参数化模型,提取分级参数;(2)对分级参数进行灵敏度分析,筛选设计变量;(3)基于分级优化流程,应用多目标优化算法进行飞行器气动/隐身综合优化设计.以一个四尾翼布局飞行器气动/隐身综合优化设计为例,阐述流程的实现过程,结果表明这种方法具有如下优点:(1)多学科参数化建模为气动和隐身性能分析提供统一的参数化模型;(2)使用灵敏度分析工具对分级设计参数进行筛选,精简优化设计任务;(3)基于分级参数和灵敏度分析进行分级优化设计,优化适应值提高56.1%,耗时减少57.02%.